(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ứng dụng thiết bị STATCOM trên hệ thống truyền tải cao cấp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TUẤN VŨ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ STATCOM TRÊN HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI CAO CẤP NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520202 S K C0 8 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TUẤN VŨ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ STATCOM TRÊN HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI CAO CẤP NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 62520202 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TUẤN VŨ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ STATCOM TRÊN HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI CAO CẤP NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 62520202 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THỊ MI SA Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2018 1.05 Vbus7 1.04 1.03 1.02 1.01 1 time (s) 10 11 12 13 14 g Đáp ứng điện áp bus 1.1 Vbus8 1.09 1.08 1.07 1.06 time (s) 10 11 12 13 14 10 11 12 13 14 h Đáp ứng điện áp bus 1.03 1.02 Vbus9 1.01 0.99 0.98 0.97 time (s) i Đáp ứng điện áp bus 53 1.04 Vbus10 1.02 0.98 0.96 time (s) 10 11 12 13 14 10 11 12 13 14 j Đáp ứng điện áp bus 10 1.04 Vbus11 1.03 1.02 1.01 1 time (s) k Đáp ứng điện áp bus 11 1.055 1.05 Vbus12 1.045 1.04 1.035 1.03 1.025 1.02 time (s) l Đáp ứng điện áp bus 12 54 10 11 12 13 14 1.05 Vbus13 1.04 1.03 1.02 1.01 1 time (s) 10 11 12 13 14 10 11 12 13 14 m Đáp ứng điện áp bus 13 0.99 0.98 Vbus14 0.97 0.96 0.95 0.94 0.93 time (s) n Đáp ứng điện áp bus 14 Hình 4.11 Đáp ứng giá trị điện áp miền thời gian có STATCOM (đường màu đỏ) khơng có STATCOM (đường màu xanh) 55 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Luận văn trình bày việc cải thiện ổn định động hệ thống điện chuẩn IEEE 14 bus Để cung cấp cơng suất phản kháng thích hợp cho hệ thống, thiết bị bù đồng tĩnh STATCOM sử dụng kết nối bus yếu hệ thống Các kết mơ có cố đứt tuyến dây từ bus đến bus giả lập để xác định trạng thái làm việc hệ thống Các kết mô thực công cụ PSAT chạy phần mềm MATLAB Trong có so sánh miền thời gian đáp ứng điện áp cố xảy Có thể kết luận từ kết mơ STATCOM đề xuất có đặc điểm đáp ứng tốt để cải thiện điện áp hệ thống giúp tăng khả đáp ứng làm giảm dao động giúp hệ thống nhanh chóng ổn định 5.2 Kiến nghị Luận văn vấn đề tồn chưa giải quyết, vấn đề hướng phát triển đề tài tương lai:  Chọn lựa dung lượng STATCOM cho tối ưu với hệ thống  Sử dụng giải thuật điều khiển thông minh để thiết kế điều khiển cho STATCOM nhằm cao khả điều khiển thiết bị điều khiển mờ, điều khiển nơ-ron,… 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Đức Hiền, Trần Phương Châu, Trần Văn Dũng, Hà Đình Nguyên Ứng dụng thiết bị STATCOM để nâng cao độ ổn định điện áp hệ thống điện việt nam, Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học Đại học Đà Nẵng, số 7, 2010 [2] Lê Hữu Hùng, Đinh Thành Việt, Ngô Văn Dưỡng, Nguyễn Tùng Lâm Khảo sát quan hệ công suất tác dụng điện áp nút phụ tải để đánh giá giới hạn ổn định điện áp Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia ,Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng [3] Ngô Đức Minh, Phân tích lưới điện kín ứng dụng cơng nghệ Facts cho điều khiển dịng cơng suất Tạp chí khoa học công nghệ ĐH Thái Nguyên, số 8, trang – 8, 2014 [4] Y del Valle, J.C Hernandez, G.K.Venayagamoorthy, and R.G Harley, Optimal STATCOM Sizing and Placement Using Particle Swarm Optimization Missouri University of Science and Technology Scholars' Mine 2006 [5] Mubeena.M.M , Baratraj E , Reshma.C.K Optimal Placement of STATCOM in Power Systems International Journal of Emerging Trends in Engineering Research (IJETER), Vol No.1, Pages : 30 – 33, 2015 [6] K Samrajyam, R B R Prakash Optimal location of STATCOM for reducing voltage fluctuations International Journal of Modern Engineering Research (IJMER), Vol.2, pp-834-839, 2012 [7] Hà Văn Du Ứng dụng STATCOM để điều chỉnh điện áp bù công suất phản kháng cho hệ thống điện Đại học kỹ thuật công nghệ Tp.HCM 2012 [8] J Kennedy, and R Eberhart Particle swarm optimization Conf Neural Networks, vol 4, pp 1942-1948, 1995 [9] J C Hernandez, Y del Valle, G.K Venayagamoorthy, and R.G Harley Optimal allocation of a STATCOM in a 45 bus section of the brazilian power 57 system using particle swarm optimization To be presented on the IEEE Swarm Intelligence Symposium 2006, Indianapolis, 2006 [10] S Gerbex, R Cherkaoui, and A.J Germond, Optimal location of multitype FACTS devices in a power system by means of genetic algorithms, IEEE Trans on Power Systems, vol 16, no 3, pp 537-544, 2001 [11] S Gerbex, R Cherkaoui, and A.J Germond, Optimal location of FACTS devices to enhance power system security, Proc of the Power Tech Conference, vol 3, pp 7-13, 2003 [12] W Ongsakul, and P Jirapong, Optimal allocation of FACTS devices to enhance total transfer capability using evolutionary programming, Proc of the IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS 2005), vol 5, pp 4175-4178, 2005 [13] D.-N Truong and L Wang, Power system stability enhancement with an integrated offshore wind farm and marine-current farm using a STATCOM, in Proceeding of IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems, 2-5 December 2012, Kaohsiung, Taiwan, pp 571-574 [14] Dinh-Nhon Truong, “STATCOM Based Fuzzy Logic Damping Controller for Improving Dynamic Stability of a Grid Connected Wind Power System” in Proc 2016 IEEE International Conference on System Science & Engineering, 7-9 July 2016, Nantou, Taiwan 58 NÂNG CAO ĐỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN TRUYỀN TẢI CAO ÁP CÓ TÍCH HỢP THIẾT BỊ BÙ STATCOM STABILITY ENHANCEMENT OF POWER SYSTEM INTEGRATED STATCOM Nguyen Thi Mi Sa1, Nguyen Tuan Vu2 Trường Đại Học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh Học viên Cao học Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh TĨM TẮT Để nâng cao chất lượng điện ổn định điện áp cho hệ thống điện có nhiều cơng trình nghiên cứu việc ứng dụng thiết bị bù công suất phản kháng Tuy nhiên thiết bị bù chưa đáp ứng đủ yêu cầu phản ứng nhanh nhạy hệ thống có thay đổi đột ngột nhu cầu công suất phản kháng Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible Alternating Current Transmission Systems – FACTS) đáp ứng yêu cầu độ phản ứng nhanh nhạy dung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện chế độ làm việc Bài báo nghiên cứu vấn đề nhằm đưa vị trí lắp đặt thiết bị bù đồng tĩnh (Static Synchronous Compensator – STATCOM) thích hợp cho lưới chuẩn IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 14 nút Q trình nghiên cứu tính tốn sử dụng sơ đồ hệ thống điện 14 nút chuẩn IEEE việc tính tốn bù cơng suất phản kháng tập trung chủ yếu vào khu vực có mật độ tải dày đặc gia tăng đột biến chế độ làm việc khác Từ khóa: Thiết bị bù đồng tĩnh (STATCOM); Nâng cao ổn định; Hệ thống điện; FACTS ABSTRACT In order to improve the voltage quality and voltage stability in power system, lots of research into the application of reactive voltage compensator have been conducted However, they have not met the requirements for fast reactions when an abrupt change of reactive power demand takes place in the system The FACTS devices can satisfy these requirements as well as the optimal compensating capacity for a power system in any working condition mode The purpose of this dissertation it to study the issues mentioned above and show the appropriate location to install STATCOM in the standard IEEE-14 bus power system In this paper, the graph of IEEE14 bus power system is used Also the calculation of reactive voltage compensation mainly focuses on areas with heavy load and probable sudden increase in voltage in different working conditions Keywords: Static Synchronous Compensator (STATCOM), Stability Enhancement; Power grid; FACTS GIỚI THIỆU Điện áp tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng điện Ổn định điện áp khả trì điện áp tất nút hệ thống phạm vi cho phép (tuỳ thuộc vào tính chất nút mà phạm vi dao động cho phép điện áp khác nhau) điều kiện vận hành bình thường sau kích động Hệ thống vào trạng thái không ổn định xuất kích động tăng tải đột ngột hay thay đổi thơng số hệ thống Các thay đổi làm cho q trình giảm điện áp xảy nặng nề rơi vào tình trạng khơng thể điều khiển được, gọi sụp đổ điện áp Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến ổn định sụp đổ điện áp thường không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng cần thiết phụ tải tăng bất thường đột biến Giải pháp kỹ thuật để khắc phục ổn định sụp đổ điện áp mà báo đưa áp dụng điều khiển STATCOM thuộc nhóm thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) Với độ nhanh nhạy, xác, điều khiển linh hoạt, thiết bị FACTS cải thiện độ ổn định điện áp nâng cao khả truyền tải công suất hệ thống STATCOM biến đổi điện áp (VSC) cơng suất lớn [1], [2] điều chỉnh điện áp cách thay đổi công suất phản kháng đường dây truyền tải dài Các mơ hình điều khiển chuyển đổi dựa hai nhiều VSC gắn với liên kết Các vị trí tối ưu STATCOM đường truyền cho lợi ích cao điều kiện bình thường nghiên cứu Các yêu cầu tối ưu vị trí lắp đặt STATCOM linh hoạt hệ thống truyền dẫn cách tính tốn cho điều kiện tải khác chứng minh Cách tiếp cận để giảm chấn dao động liên vùng mạng lưới điện lớn sử dụng nhiều STATCOM đưa MƠ HÌNH VÀ NGUN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ STATCOM Hình thể cấu tạo STATCOM gồm máy biến áp ghép, chuyển đổi nguồn áp (VSC) nguồn chiều DC Từ sơ đồ cấu tạo ta có mạch điện tương đương sau: Hình Mạch điện tương đương Với rp điện trở chuyển mạch VSC, V2 điện áp đầu STATCOM, rs, xs điện trở điện kháng MBA đường dây, Iq dòng điện phản kháng, V1 điện áp lưới Thiết bị bù đồng tĩnh STATCOM (Static Synchrnous Compensator) thiết bị chuyển đổi nguồn áp (Voltage Source Converter - VSC), chuyển đổi nguồn điện áp chiều thành điện áp xoay chiều để bù công suất phản kháng cho hệ thống STATCOM thiết bị bù ngang, điều chỉnh điện áp vị trí lắp đặt đến giá trị cài đặt (Vref ) thơng qua việc điều chỉnh biên độ góc pha điện áp rơi STATCOM hệ thống Ta có P Q trao đổi nguồn [3][4]: P= (1) (2)Q = Với ( - cos ) góc lệch pha V1 V2 Khi điện áp STATCOM hệ thống pha ( = 0), từ công thức (1), (2) ta suy ra: (3)P = (4)Q = ( - ) Bằng cách điều khiển điện áp STATCOM (V2) có giá trị lớn điện áp hệ thống (V1) khiến dịng cơng suất phản kháng chạy từ STATCOM vào hệ thống qua nâng cao điện áp hệ thống lên Ngược lại, điều khiển điện áp STATCOM (V2) thấp điện áp hệ thống (V1) khiến dịng cơng suất phản kháng chảy từ hệ thống vào STATCOM hạn chế áp lưới điện Hình Cấu tạo STATCOM ỨNG DỤNG STATCOM VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN IEEE 14 BUS CHUẨN Hình mơ tả sơ đồ thứ hệ thống điện IEEE 14 bus gồm máy phát, 14 nút, máy biến áp với cấp điện áp 69kV, 13.8kV, 18kV [5] B(p.u) Tỉ số biến áp 0.00 0.27038 0.00 11 0.08205 0.19207 0.00 12 13 0.2209 0.19988 0.00 13 14 0.17093 0.34802 0.00 Nút Nút đến R(p.u) 10 0.03181 0.0845 14 0.1271 10 X(p.u) Dựa thông số cho, ta tiến hành mơ hình hệ thống điện 14 bus phần mềm PSAT Kết cho sau: Hình Sơ đồ đơn tuyến hệ thống IEEE 14 bus Bảng Thông số đường dây Tỉ số biến áp Nút Nút đến R(p.u) 0.01938 0.05917 0.0528 1 0.05403 0.22304 0.0492 0.04699 0.19797 0.0438 0.05811 0.17632 0.0374 0.05695 0.17388 0.034 0.06701 0.17103 0.0346 0.01335 0.04211 0.0128 Hình Hệ thống 14 bus phần mềm PSAT 0.00 0.20912 0.00 0.978 0.00 0.55618 0.00 0.969 0.00 0.25202 0.00 0.932 Tiến hành tính tốn mơ cho hệ thống giá trị trị riêng Hình Điều cho thấy hệ thống ổn định nghiệm bao quanh vịng trịn có bán kính 11 0.09498 0.1989 0.00 12 0.12291 0.25581 0.00 13 0.06615 0.13027 0.00 0.00 0.17615 0.00 0.00 0.11001 0.00 X(p.u) B(p.u) Reactive Power Profile 1 0.8 0.8 QG - QL [p.u.] 0.6 0.6 0.4 Imag 0.2 0.4 0.2 0 -0.2 -0.2 -0.4 10 11 12 13 14 Bus # -0.4 -0.6 Hình Phân bố công suất phản kháng hệ thống 14 bus -0.8 -1 -1 -0.5 Real 0.5 Từ kết mô dễ dàng nhận thấy điện áp bus 14 thấp Hình Trị riêng hệ thống 14 bus Tiếp theo ta tiến hành tính tốn phân bố cơng suất cho hệ thống thu kết Hình 6, Hình Hình Trong đó, Hình biểu diễn giá trị điện áp bus giá trị điện áp nằm phạm vi cho phép 5% [5][6] Tiến hành mô với trường hợp cố hở mạch đường dây từ bus đến bus thời điểm giây để khảo sát đáp ứng tải hệ thống nói chung bus 14 nói riêng ta nhận thấy điện áp bus giảm xuống 5% thể hình 10 [7] Voltage Magnitude Profile 1.2 1.15 1.1 V [p.u.] 1.05 0.95 0.9 0.85 0.8 10 11 12 13 14 Bus # Hình Điện áp hệ thống 14 bus Real Power Profile PG - P L [p.u.] -1 10 11 12 13 14 Bus # Hình Phân bố cơng suất tác dụng hệ thống 14 bus Hình Hệ thống 14 bus phần mềm PSAT cố đường dây 2, 0.99 0.98 0.97 Vbus14 -2 0.96 0.95 0.94 0.93 time (s) 10 11 12 13 14 Theo kết mô cho thấy, cần phải cải thiện biên độ điện áp bus 14 để đảm bảo chất lượng điện hệ thống Để làm điều này, đề cập trên, STATCOM thiết bị phù hợp Với lý đó, tác giả tiến hành lắp đặt thiết bị STATCOM bus 14 tiến hành mơ để đánh giá hiệu hình 11 Có thể dễ dàng nhận thấy sau gắn STATCOM vào biên độ điện áp khơng bus 14 cải thiện mà điện áp bus khác tăng lên[8] Voltage Magnitude Profile 1.2 0.8 V [p.u.] Hình 10 Đáp ứng điện áp bus 14 đứt đường dây bus bus 0.6 0.4 0.2 10 11 12 13 14 Bus # Hình 13 Biên độ điện áp 14 bus trước sau gắn STATCOM Với STATCOM, ngồi việc cải thiện biên độ điện áp thiết bị cịn có khả giảm dao động q độ nhằm nâng cao độ ổn định hệ thống Các kết mơ trình bày hình 14 sau cho thấy rõ điều Cụ thể biên độ điện áp bus cải thiện, đặc biệt độ dao động điện áp bus giảm Hình 11 Hệ thống 14 bus lắp đặt STATCOM bus 14 1.075 1.07 Vbus1 1.065 1.06 1.055 1.05 time (s) 10 11 12 13 14 13 14 a Đáp ứng điện áp bus Kết biên độ điện áp 14 bus so sánh với giá trị điện áp trước gắn STATCOM thể hình 13 Trong màu đỏ giá trị sau gắn STATCOM màu xanh trước lúc gắn STATCOM 1.065 1.06 1.055 Vbus2 Hình 12.Thơng số cài đặt cho STATCOM PSAT 1.05 1.045 1.04 time (s) 10 11 12 b Đáp ứng điện áp bus 1.05 1.04 1.015 Vbus7 1.03 1.01 Vbus3 1.02 1.01 1.005 1 0.995 time (s) 10 11 12 13 time (s) 10 11 12 13 14 g Đáp ứng điện áp bus 14 1.1 c Đáp ứng điện áp bus 1.09 Vbus8 1.02 1.08 1.01 Vbus4 1.07 0.99 1.06 0.98 time (s) 10 11 12 13 14 0.97 0.96 time (s) 10 11 12 13 1.03 d Đáp ứng điện áp bus 1.02 1.01 Vbus9 1.005 1 0.99 0.995 Vbus5 h Đáp ứng điện áp bus 14 0.98 0.99 0.97 0.985 time (s) 10 11 12 13 14 12 13 14 0.98 0.975 i Đáp ứng điện áp bus time (s) 10 11 12 13 14 1.04 e Đáp ứng điện áp bus 1.02 Vbus 10 1.15 1.1 Vbus6 0.98 1.05 0.96 0.95 time (s) 10 11 f Đáp ứng điện áp bus 12 13 14 time (s) 10 11 j Đáp ứng điện áp bus 10 KẾT LUẬN 1.055 Bài báo trình bày việc cải thiện ổn định động hệ thống điện chuẩn IEEE 14 bus Để cung cấp cơng suất phản kháng thích hợp cho hệ thống, thiết bị bù đồng tĩnh STATCOM sử dụng kết nối bus yếu hệ thống 1.05 1.045 Vbus12 1.04 1.035 1.03 1.025 1.02 time (s) 10 11 12 13 14 12 13 14 12 13 14 12 13 14 k Đáp ứng điện áp bus 11 1.04 Vbus11 1.03 1.02 1.01 1 time (s) 10 11 l Đáp ứng điện áp bus 12 1.05 1.04 Vbus13 1.03 1.02 1.01 1 time (s) 10 11 m Đáp ứng điện áp bus 13 0.99 0.98 Vbus14 0.97 0.96 0.95 0.94 0.93 time (s) 10 11 n Đáp ứng điện áp bus 14 Hình 14 Đáp ứng giá trị điện áp miền thời gian có STATCOM (đường màu đỏ) khơng có STATCOM (đường màu xanh) Các kết mơ có cố đứt tuyến dây từ bus đến bus giả lập để xác định trạng thái làm việc hệ thống Các kết mô thực công cụ PSAT chạy phần mềm MATLAB Trong có so sánh miền thời gian đáp ứng điện áp cố xảy Có thể kết luận từ kết mơ STATCOM đề xuất có đặc điểm đáp ứng tốt để cải thiện điện áp hệ thống giúp tăng khả đáp ứng làm giảm dao động giúp hệ thống nhanh chóng ổn địn S K L 0 ... ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TUẤN VŨ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ STATCOM TRÊN HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI CAO CẤP NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 62520202 Tp Hồ Chí Minh,... ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TUẤN VŨ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ STATCOM TRÊN HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI CAO CẤP NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 62520202 Hướng dẫn khoa... nâng cao chất lượng điện ổn định điện áp cho hệ thống điện có nhiều cơng trình nghiên cứu việc ứng dụng thiết bị bù công suất phản kháng Tuy nhiên thiết bị bù chưa đáp ứng đủ yêu cầu phản ứng